عند مناقشة هيكل الذرة والمضمون ، يمكن قراءة أن 99.99 ... ٪ من المواد تتكون من فراغ ، مع إصدارات مختلفة من عدد التسعات. كما سنرى الآن ، فإن هذا البيان له أسباب هشة للغاية ، ومحاولات تقدير جزء الفراغ في مادة يمكن أن تعطي أي عدد من 0 إلى 100 ٪. يظهر النظر المتسلسل للمسألة في إطار ميكانيكا الكم أن المادة تختلف كثيرًا عن الفراغ.

ما هو الخطأ في 99٪؟

خط المنطق التقليدي ^(*) يبدو كالتالي: في ذرة يبلغ حجمها أنجستروم واحدًا تقريبًا ( ^10-10 أمتار) ، تدور الإلكترونات حول نواة أصغر حجمها 100000 مرة (حوالي ^10-15 مترًا). حجم الإلكترون نفسه هو صفر ، إنه جسيم نقطي ^{(**) إذًا} ، تكون الذرة فارغة عمليا: فيها "غير الفارغة" هي النواة فقط. من أجل الحصول على جزء من حجم الذرة التي تشغلها النواة ، من الضروري مكعب نسبة أحجامها. نحصل على أن النواة تحتل ^10-15 من الحجم الذري ، وبقية الحجم 99.99 ... ٪ مع 13 تسع بعد الفاصلة العشرية - إنها فارغة.

إذا كانت الذرة ممتدة إلى حجم ملعب كرة قدم ، فسيكون القلب بحجم حبة الخشخاش.

ما هو الخطأ في هذا المنطق؟ دعونا نواصل نفس المنطق ، مع الأخذ في الاعتبار ليس الذرة ، ولكن جوهرها. اعتبرنا أن النواة الذرية غير فارغة ، لكنها تتكون من البروتونات والنيوترونات ، والتي بدورها تتكون من جسيمات أساسية - الكواركات والغلونات ^(***) . وفقًا للمفاهيم الحديثة ، فإن الكواركات والغلوونات هي أيضًا جسيمات نقطية ، مثل الإلكترون. باتباع نفس خط المنطق كما هو الحال في الذرة ، نجد أن النواة هي أيضًا فراغًا تطير فيه جزيئات ذات حجم صفري. خلاصة القول: تتكون المادة بالضبط من فراغ 100 ٪. هذا الخط من المنطق لم يقودنا إلى أي مكان.

ماذا تقول ميكانيكا الكم؟

تخبرنا ميكانيكا الكم أن الإلكترون في الذرة ليس كرة صغيرة تحلق في مدار حول نواة ، ولكنها منتشرة في الفضاء على شكل سحابة احتمالية تسمى المدار. كثافة هذه السحابة ، أو ببساطة كثافة الإلكترونات

$n (\ vec {r})$ يعتمد على الإحداثيات

$\ vec {r}$ . يختلف هذا الاعتماد لكل مدار ، ولكن هناك نمط عام:

$n (\ vec {r})$ بشكل ملحوظ غير صفري في الفضاء بأبعاد ترتيب الأنجستروم ، وينخفض بشكل كبير على مسافات كبيرة من القلب.

السلوك النموذجي لكثافة الإلكترون في ذرة لمختلف المدارات الإلكترونية. المصدر

من هنا نأخذ الحجم الذري المميز لأحد أنجستروم ، والذي تم استخدامه أعلاه عند مقارنة حجم الذرة والنواة. ما هي الإجابة الكمية على سؤال نسبة الفراغ في المادة التي يمكن أن تقدمها لنا ميكانيكا الكم؟ للقيام بذلك ، نحتاج إلى تقدير الحجم الإجمالي الذي تشغله المدارات الإلكترونية لجميع الذرات. ولهذا ، في المقابل ، يجب رسم حدود واضحة بين الذرة والفراغ المحيط بها. ولكن كيف نفعل ذلك؟ رسميا ، كثافة الإلكترون

$n (\ vec {r})$ ، على الرغم من أنها تميل إلى الصفر عند الابتعاد عن النواة ، إلا أنها لا تتحول إلى الصفر أبدًا ، وبالتالي فإن كل مدار ذري يملأ ، إن لم يكن الكون بأكمله ، ثم على الأقل الحجم الكامل للقطعة المعنية من المادة. في هذه الحالة ، اتضح أنه لا يوجد فراغ في المادة - في أي مرحلة هناك احتمال غير صفري لإيجاد إلكترون.

يمكنك تحديد الحد الذري على أنه المكان الذي تصل فيه كثافة الإلكترون إلى نصف الحد الأقصى. أو 1/15 - ستكون هذه الحدود أبعد من القلب. أو مثل سطح بداخله يحتوي على نصف إجمالي كثافة الإلكترون. يمكنك الحصول على المزيد من الحجم عن طريق رسم سطح ، على سبيل المثال ، يحصل على 9/10 من الكثافة الكاملة.

كثافة سحابة الإلكترونات المدارية

$3p_ {m = 0}$ في ذرة الهيدروجين (كما هو موضح باللون الأبيض) وخيارات مختلفة للحد الشرطي للذرة.

كما نرى ، من خلال رسم الحدود الشرطية للذرات بشكل مختلف ، يمكن للمرء الحصول على قيم مختلفة من الحجم الذي تشغله. لذلك ، بالنسبة لجزء من الفراغ في المادة ، يمكن الحصول على أي إجابة من 0 إلى 100 ٪. على سبيل المثال ، في هذا الفيديو ، يُقدر الجزء الفارغ بـ 90٪. لماذا 90 بالضبط ، وليس 80 أو 95؟ على ما يبدو ، أخذ المؤلف نوعًا من حجم الذرة "القياسي" في منطقة أنجستروم واحد.

على الرغم من أن الأسطح ذات الكثافة الإلكترونية المتساوية ليست مناسبة لتحديد حدود الذرة الذرية بدقة ، إلا أنها مناسبة عندما تحتاج إلى تصور بنية المادة على المستوى الجزئي. من خلال شكل هذه الأسطح ، يمكن للمرء أن يحكم على بنية المدارات الجزيئية والروابط الكيميائية.

مثال على سطح (أخضر وشفافة) تأخذ عليه كثافة الإلكترون في البلورة قيمة ثابتة. المصدر

وهكذا تبدو الأسطح ذات الكثافة الثابتة في بعض البروتينات. المصدر

ماذا تقول نظرية المجال الكمي؟

حتى إذا كان لا يمكن فصل المادة بوضوح عن الفراغ ، فهل من الممكن الإجابة على الأقل على السؤال ، كيف يختلف الأمر عن وجهة نظر نظرية الكم من الفضاء الفارغ؟ للإجابة ، ننتقل إلى نظرية المجال الكمي ، التي تدرس أنظمة العديد من الجسيمات والفراغ. في هذه النظرية ، أي حالة من النظام (بشكل أدق ، مجال كمي) يمكن أن توجد فيه 0 ، 1 ، 2 ، وما إلى ذلك. جزيئات تتميز بنواقل طولها يساوي الوحدة.

مزيد من التفاصيل

كل ناقل

$\ vec {a}$ يمكن تعيينها من خلال الإسقاطات

$a_1، \، a_2، \، \ ldots$ على محاور الإحداثيات ، وعددها يساوي أبعاد الفضاء

$inline$ :

$\ vec {a} = \ {a_1، a_2، \ ldots، a_D \}$ . يتم وصف الأنظمة الكمية بواسطة المتجهات في الفضاء اللامتناهي ، أي من خلال هذه المتجهات التي يكون عدد إسقاطاتها غير محدود:

$\ vec {a} = \ {a_1، a_2، \ ldots \}$ . الإسقاطات نفسها

$a_1، \، a_2، \، \ ldots$ في ميكانيكا الكم هي أرقام معقدة ، هذه الحقيقة مهمة في وصف ظواهر التداخل.

إذا لم يكن هناك جسيم في النظام (فراغ) ، فإن حالته تسمى فراغ ، وعادة ما يشار إلى المتجه المقابل بأنه

$| 0 \ rangle$ . ذرة بإلكترون واحد على أي مدار هي حالة نظام بجسيم واحد ، يمكن الإشارة إلى ناقلها على أنه

$| \ psi \ rangle$ . ما مدى اختلاف هاتين الدولتين عن بعضهما البعض؟ هناك طرق مختلفة لوصف "المسافة" بين المتجهات ، وهي أبسطها وأكثرها استخدامًا ^(****) - حساب طول فرق المتجهات

$| \ psi \ rangle- | 0 \ rangle$ . يمكن أن نبين أن المتجهات

$| 0 \ rangle$ و

$| \ psi \ rangle$ متعامد بشكل متبادل ، هذا وضع شائع للحالات الكمومية التي تختلف بشكل كبير عن بعضها البعض. اتضح أنه من وجهة نظر نظرية المجال الكمي ، فإن "المسافة" بين الفراغ والإلكترون الموجود في المدار الذري تساوي

$\ sqrt {2}$ .

هناك متجهان متعامدان متعامدين - الفراغ وإلكترون واحد في المدار الذري - والمسافة بينهما.

الجواب الذي تم الحصول عليه - أن المادة تختلف دائمًا جذريًا عن الفراغ ، حتى لو كانت تحتوي على جسيم واحد لكل كيلومتر مكعب - غير مرضٍ للغاية ، لأن توزيع المادة في الفضاء يختفي تمامًا منه. هل من الممكن إدخال مقياس للفرق بين المادة والفراغ ، يظهر مدى اختلافهما ليس ككل ، ولكن محليًا ، في كل نقطة

$\ vec {r}$ ؟؟؟ نعم ، يمكن إيجاد مثل هذا المقياس ، وهو ليس سوى كثافة الإلكترونات

$n (\ vec {r})$ . عندما تنخفض كثافة الإلكترونات إلى قيم صغيرة للغاية ، يصبح الفرق بين المادة والفراغ ضئيلًا أيضًا.

زوج من الصيغ

يمكن فهم ذلك ، بالنظر إلى أن مربع المسافة

$|| \ psi-0 || ^ 2$ تتمثل في:

$|| \ psi-0 || ^ 2 = \ langle0 | 0 \ rangle + \ langle \ psi | \ psi \ rangle = 1 + \ int | \ Psi (\ vec {r} _1 \ ldots \ vec {r} _N ) | ^ 2 \: d \ vec {r} _1 \ ldots d \ vec {r} _N = 1 + \ frac1N \ int n (\ vec {r}) \: d \ vec {r} ،$

أين

$\ Psi (\ vec {r} _1 \ ldots \ vec {r} _N)$ - دالة موجية لنظام متعدد الإلكترونات ،

$inline$ هو عدد الإلكترونات. كما ترى ، يتكون مربع المسافة من جزأين: أحدهما يساوي جزءًا ، والآخر يعمل بسبب تكامل كثافة الإلكترون في الفضاء.

خطوط كثافة إلكترونات متساوية في بلورة Na ₂ GeS ₃ . كلما كانت النوى الذرية أبعد ، كلما قلت الكثافة وأقرب الفراغ. المصدر

لذلك نرى أن:

إذا جادلنا في روح "النواة فقط غير فارغة في الذرة" ، فعلينا أن نعترف بأن المادة فارغة تمامًا 100 ٪ ، لأن النواة هي نفس "الذرة" الفارغة ، وتتكون فقط من جزيئات أخرى.
في ميكانيكا الكم ، يتم تلطيخ الأصداف الإلكترونية للذرات في الفضاء ، ومن المستحيل تحديد أين تنتهي الذرة وتبدأ المساحة الفارغة المحيطة بها. نتيجة لذلك ، من المستحيل والدقيق أن نقول ما هي نسبة الفراغ في المادة - بنفس النجاح ، يمكنك أخذ أي رقم من 0 إلى 100 ٪ .
من وجهة نظر نظرية المجال الكمومي ، تختلف المادة حتى مع إلكترون واحد بشكل كبير عن الفراغ - يتم تمثيل هاتين الحالتين الكميتين من خلال ناقلات متعامدة متبادلة ، والمسافة بينهما تساوي $\ sqrt {2}$ .
ومع ذلك ، فمن الممكن ، إلى حد ما ، إدخال مقياس للفرق بين المادة والفراغ ، ليس ككل ، ولكن محليًا ، في كل نقطة في الفضاء. هذا المقياس هو كثافة الإلكترون. $n (\ vec {r})$ . لسوء الحظ ، فإن كثافة الإلكترون هي كمية الأبعاد ، ولها بعد م ^-3 ، وبالتالي لا تعطينا إجابة للسؤال "ما هي النسبة المئوية التي تختلف فيها المادة في هذه المرحلة عن الفراغ". بمساعدتها ، يمكنك فقط الحكم على مكان اختلاف المادة أكثر من الفراغ وأين تكون أضعف. بالقرب من مراكز الذرات $n (\ vec {r})$ الحد الأقصى ، حيث تختلف المادة أكثر من الفراغ أكثر ، وعلى مسافات كبيرة من الذرات ، تنخفض بسرعة كبيرة ، ويصبح الفرق بين المادة والفراغ غير ذي أهمية.

^{(*) فيما} يلي أمثلة على هذا النوع من المنطق ، ومع ذلك ، فإن نسبة أحجام الذرة والنواة مبالغ فيها أحيانًا ملايين المرات:
• www.popmech.ru/science/10566-zhizn-v-pustote-kvantovoe-osoznanie
• www.yaplakal.com/forum7/topic1503279.html
• pikabu.ru/story/tyi_nichto_561687
• thequestion.ru/questions/10102/atom-sostoit-iz-pustoty-vsyo-materialnoe-sostoit-iz-atomov-kak-materialnoe-mozhet-sostoyat-iz-pustoty

^(**) أظهرت التجارب على الأقل في مصادم Electron-Positron الكبير أن حجم الإلكترون لا يتجاوز ^10-19 م ، وأعطت القياسات فائقة الدقة للحظة المغناطيسية الإلكترونية في وقت لاحق تقديرًا أعلى لحجم الإلكترون يساوي ^10-20 م. أن الإلكترون أصغر بعشرة آلاف المرات من النواة.

^(***) حقيقة مثيرة للاهتمام: الكواركات الثلاثة التي تشكل البروتون تعطي فقط أقل من 2 ٪ من كتلته. ما تبقى من الكتلة هو جسيمات افتراضية (الكواركات والغلونات) الناشئة عن تفاعل الكواركات الثلاثة الأولية. هناك الكثير من هذه الجسيمات التي تشكل "بحر" كامل ، وبالتالي يطلق عليها الكواركات والغلوونات "البحرية".

^(****) في حالة حالتين كميتين نقيتين

$| 0 \ rangle$ و

$| \ psi \ rangle$ يتم تقليل مقاييس المسافة بينهما ، مثل مقياس Hilbert-Schmidt وقياس Fubini-Study ، بدقة إلى طول الناقل

$| \ psi \ rangle- | 0 \ rangle$ .

نقوم بتحليل الأسطورة الشعبية: "المادة فارغة بنسبة 99٪"

ما هو الخطأ في 99٪؟

ماذا تقول ميكانيكا الكم؟

ماذا تقول نظرية المجال الكمي؟

More articles: